Et holistisk blik på Jordens kemiske cykling kaster lys over, hvordan planeten forbliver beboelig

Vi ved alle, at Jorden er speciel, men vi forstår måske ikke helt, hvor godt vi har det på denne planet. I modsætning til sine planetariske naboer har Jorden forblevet beboelig i milliarder af år takket være en kompliceret, evigt skiftende dans af elementer.

En undersøgelse foretaget af forskere ved University of Chicago, Rice University og California Institute of Technology kaster nyt lys over den delikate balance mellem biogeokemiske kredsløb, der holder Jorden tempereret, hydreret og blomstrende.

Elementernes kredsløb mellem havene, atmosfæren og jorden spiller en rolle for at holde klimaet stabilt, men det er så komplekst, at forskere typisk isolerer stykker af helheden for at forsøge at få et bedre indblik i, hvordan de fungerer. Men en ny undersøgelse, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences den 13. marts byder på en anderledes tilgang.

Forskerne tilbyder i stedet et bredt, forenklet synspunkt ved at bruge et nyt sæt matematiske værktøjer til at belyse sammenhænge mellem de forskellige kemiske kredsløb, som tidligere var svære at få øje på.

"Vores tilgang giver en ny måde at identificere de grundlæggende byggesten for stabilitet i de kemiske komponenter i Jordens klima - de underliggende måder, hvorpå klimaet kan stabiliseres over geologisk tid på grund af bevægelsen af ​​elementer over havet, atmosfæren og klippen reservoirer," sagde Preston Cosslett Kemeny, en UChicago TC Chamberlain postdoc og første forfatter på papiret.

"Dette er en elegant, forenklet måde at tænke på et enormt problem på, som organiserer en masse tidligere forskning om elementarcyklusser i pakker af kemiske reaktioner, der kan afbalanceres og forstås," sagde UChicago Asst. Prof. Clara Blättler, seniorforfatter på papiret.

Klynger og klima

Vi tager ofte for givet, at planeten Jorden har understøttet komplekst liv i hundreder af millioner af år. Men denne stabilitet var bestemt ikke garanteret - man behøver kun at se ved siden af ​​på Mars og Venus, som er dannet af nogenlunde de samme materialer som Jorden, men i øjeblikket ikke understøtter flydende vand. Hvad er jordens hemmelighed?

Et nøgleaspekt er kemisk kredsløb. Elementer som kulstof, svovl og calcium bevæger sig mellem jorden, havet og atmosfæren på måder, der har holdt forholdene på Jordens overflade relativt stabile over hundreder af millioner af år.

For eksempel mener forskere, at planetens temperaturer delvist opretholdes af kulstofskifte gradvist frem og tilbage mellem havet, atmosfæren og landjorden. Når kuldioxid opbygges i atmosfæren og opvarmer overfladen, får det sten til at nedbrydes hurtigere - flytte kulstof ud i havet og efterfølgende til sten ved havbunden. I løbet af millioner af år afkøles planeten gradvist igen, efterhånden som kulstoffet suges ud af atmosfæren.

At udrede disse cyklusser har været arbejdet i årtier. Det er udfordrende, fordi cyklusserne varer i millioner af år, er uendelige i forandring, finder sted over hele kloden og interagerer med hinanden konstant. Det er så komplekst, at videnskabsmænd ofte kun undersøger dele af hele billedet - typisk i betragtning af et begrænset antal elementcyklusser eller en lille delmængde af deres interaktioner. Men når der mangler brikker i puslespillet, er forskerne nødt til at lave antagelser for at udfylde hullerne.

Kemeny spekulerede på, om arbejdet på denne måde kunne have en tendens til at sløre det overordnede billede af, hvordan biogeokemiske interaktioner giver anledning til planetarisk stabilitet.

Han tog sammen med Blättler, Mark Torres fra Rice University og Woodward Fischer fra Caltech et skridt tilbage. De kørte en matematisk analyse, hvor de overvejede en bred vifte af kemiske reaktioner, der omfatter store kemiske kredsløb, men specificerede ikke, hvordan eller hvor meget cyklusserne interagerede med hinanden.

Resultatet er en ramme, der identificerer alle de større og mindre kombinationer af reaktioner, der balancerer Jordens kulstofkredsløb og deres relationer til hinanden - noget, der havde manglet i feltet. Set på denne måde kan Jordens klima repræsenteres af et sæt indbyrdes forbundne kemiske ligninger, der skal balancere over bestemte tidsperioder.

Forfatterne sagde, at deres arbejde er nyttigt, da videnskabsmænd fortsætter med at studere Jordens historie, og hvordan klimaet har ændret sig over tid.

"Sig for eksempel, at du overvejer en hypotese for, hvorfor klimaet ændrede sig i fortiden - såsom den store afkøling i de sidste 65 millioner år," sagde Kemeny. "Du kan tage denne ramme og bruge den til at sige, ja, hvis X-processen steg eller faldt, så skulle det også have forårsaget Y til at ske, eller ville have været nødt til at blive balanceret af Z, og at du skal tage højde for disse resultater - så med den forudsigelse kan vi lede efter beviser for den fælles drift af hele det geokemiske system."

Andre forhold mellem kemiske kredsløb kan blive synlige, når de ses i fugleperspektiv. "For eksempel identificerede denne analyse en ny måde at balancere kulstofstrømme i ocean-atmosfæresystemet, mens atmosfærens ilt akkumuleres," sagde Kemeny.

Som helhed håber vi, at det er en smuk måde at hjælpe med at forstå al ​​den kemi, der er involveret i at gøre Jorden til et sikkert sted, hvor livet kan udvikle sig," sagde Blättler.

Flere oplysninger: Preston Cosslett Kemeny et al., Balance og ubalance i biogeokemiske cyklusser afspejler driften af ​​lukkede, udvekslings- og åbne sæt, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316535121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Chicago